1Mt_a连续重整四合一加热炉设计

收稿日期:2003205228
作者简介:郭正辉(19692),男(汉族),河南南阳人,工程师,学士,现从事工业炉设计工作。

文章编号:100027466(2003)0620033203
1Mt/a 连续重整四合一加热炉设计
郭正辉,张铁峰
(洛阳石化工程公司,河南洛阳　471003)
摘要:分析总结了连续重整装置四合一加热炉的炉型选取、管路系统、燃烧器及余热回收系统等设计内容,对大型化重整装置加热炉设计与生产具有一定的借鉴意义。

关　键　词:加热炉;炉管;设计;分析中图分类号:TE 963102 文献标识码:B 镇海炼油化工股份有限公司1Mt/a 连续重整装置由洛阳石化工程公司设计,该装置中的重整四合一加热炉采用UOP 公司U 形管阶梯立式炉,所有工艺物流全部由辐射室加热,烟气废热由对流室设置的废热锅炉产生中压蒸汽进行回收。

该炉设计热负荷为90000kW ,是目前国内最大的连续重整加热炉,文中对该加热炉的设计情况作些介绍。

1　炉型选择
连续重整工艺同老式的半再生催化重整工艺相比有很大区别,连续重整工艺中催化剂可以连续再生,允许在催化剂上结焦,所以装置能够在低氢油比、低压以及高温下运行。

由于装置的操作压力非常低,而物料要连续通过4台反应器进行反应,从而对重整进料加热炉和各中间加热炉的压降提出了严格要求,炉型选择必须和这种工艺特点相匹配。

本次设计的重整进料加热炉(简称A 炉)、第一中间加热炉(简称B 炉)、第二中间加热炉(简称C 炉)及第三中间加热炉(简称D 炉)排管均为U 形管多程并联形式,炉管的单程水力学长度短,压降非常小。

设计中考虑富料和贫料2种工况,贫料工况条件:加热介质为石脑油和重整循环氢的气态混合物,流量189988kg/h ,出口介质温度均为554℃,介质出入口
压降依次为17kPa 、23kPa 、27kPa 和30kPa 。

为了使结构紧凑,减少占地面积,4台加热炉集中布置在1个炉膛内,各炉的中下部用火墙隔开,可以单独控制各炉。

由于B 炉操作负荷较大,超过A 炉和C 炉热负荷的50%,为了不因各炉结构尺寸差别过大而使各炉炉膛温度梯度过大,所以对A 、C 、D
炉采用单面辐射,对B 炉采用双面辐射。

2　管路系统
211　炉管单位面积质量流量
一般选用尽可能高的质量流量,以改善管内的传热状态和流动状态,减小管壁温度,但管内流体速度必须严格控制在压降许可的范围内。

通过技术经济比较,结合UOP 公司推荐的数值,针对设计要求的出入口压降,确定A 炉设计质量流量为110kg/s ,B 、C 、D 炉质量流量均为107kg/s 。

212　
管程和炉管直径对于多管程并联形式的炉管来说,应选用尽可能少的管程数,以防止流体分配不均。

参考镇海炼化公司已投入运行的018Mt/a 重整装置的炉管尺寸,经计算1Mt/a 重整四合一炉的炉管尺寸选为 11413mm ×6102mm ,各炉管程数分别为58、60、60及60。

如选直径大于 11413mm 的炉管,虽可减少管程数,使管内介质分配更均匀,但有炉管过长或因炉管表面热强度过高造成局部炉管温度过高的缺陷。

据有关资料介绍,适宜的炉管直径为 114mm ,管径大不利于传热。

213　
炉管材质四合一加热炉的介质是轻质石脑油和重整循环氢的气态混合物,操作压力为013～015MPa 。

炉管内介质的氢分压较低,故炉管的氢腐蚀与半再生重整加热炉相比轻得多,但其操作温度较高,介质出口温度为554℃,因此炉管的氧化腐蚀成为主要问题,设计时应控制炉管的最高管壁温度不超过炉管的抗氧化极限温度。

经计算炉管的最高管壁温度大约为
第32卷　第6期2003年11月 石　油　化　工　设　备PETRO 2CHE MIC A L E QUIP ME NT V ol 132　N o 16　N ov 12003
600℃,根据Nels on曲线,再保留30℃的温度裕量,设计炉管的最高管壁温度确定为630℃。

虽然API RP530中规定1Cr9M o最高使用温度为705℃,但为了控制炉管的氧化腐蚀速率,提高炉管抗氧化腐蚀性能,UOP公司规定设计时采用炉管抗氧化腐蚀温度635℃作为1Cr9M o的最高使用温度。

因此选用1Cr9M o作为炉管材质既安全又经济合理。

214　炉管平均表面热强度和热负荷裕量
影响炉管许用平均表面热强度的因素有加热介质的特性、操作条件、炉管的最高使用温度、炉型、排管、耐火材料最高使用温度以及经济性等。

该炉加热介质出口温度高达554℃,若热强度过高会使得油膜超温而使油品产生热裂化引起结焦。

1Cr9M o炉管的抗氧化极限温度为635℃,其与加热介质出口温度之间较小的温差将限制炉管的平均表面热强度。

应该指出的是,在最高允许管壁温度限制下,不同的介质出口温度所允许的炉管平均表面热强度差别很大。

当介质出口温度为560℃时,允许的炉管平均表面热强度只有介质出口温度为543℃时允许炉管平均表面热强度的80%。

综合上述因素,再留一定热负荷设计裕量,并考虑装置扩大处理量的需要,将A、B、C、D炉的炉管平均表面热强度分别取为21320W/m2、29959W/m2、22508W/m2和18232W/m2。

除了将辐射炉管平均表面热强度留适当操作弹性外,A、B、C炉热负荷也留有10%设计裕量,D炉留有30%设计裕量,主要原因:①前两级反应器主要进行的是大量吸热的烷烃脱氢环化和环烷烃脱氢反应,温降较大,相应B炉和C炉的热负荷较大。

在第三、第四反应器中,主要是烷烃脱氢环化和加氢裂化2种反应加速进行,而加氢裂化的反应热和反应程度难以准确确定。

②虽然重整催化剂可以连续再生,但也有相对失活的问题,反应后移使第三级反应器吸热量有所增加,B炉、C炉的部分热负荷转移到D炉上。

③考虑了加热炉进料贫料和富料2种工况,进料组成发生变化也会发生反应后移现象。

215　集合管结构尺寸
辐射炉管的出入口均采用上集合管连接,这样不仅可以保证工艺允许的压力降,而且也降低了与之相连接的转油线的费用。

根据国外资料介绍,为了减小各管程流量和传热量的偏差,集合管截面积与各程炉管总截面之比不小于019时,各程流量的分配不均率小于3%,温度分布相差仅3～4℃,从降低集合管的费用考虑,该加热炉各集合管的截面比按下限来选取,分别为1121、1117、1117和1117。

集合管与炉管采用厚壁管上拔制凸缘法对焊连接。

集合管尺寸均为 914mm×28158mm,材质为5Cr015M o,采用弹簧吊架,以承受管线的热膨胀。

炉外转油线的膨胀量由集合管及炉管的位移来吸收。

采用美国管道应力分析程序C AES AR分析转油线、集合管以及炉管的应力,根据分析结果选择弹簧吊架的位置及型号。

3　燃烧器
选用侧墙低NO X自然通风型烧气燃烧器,过剩空气系数取15%,因燃料气中含有一部分H2,其火焰传播速度较快,为防止回火,采用外混式气体燃烧器。

每台炉子中的燃烧器侧墙对称分层次布置。

由于是自然通风,所以须维持燃烧器处的负压值,以吸入燃烧用空气,要求燃烧器抽力在121～155Pa,这样燃烧器就不能布置得太高,一般布置在炉体中下部,必须精确核算燃烧器的喉口尺寸,以保证不同标高处燃烧器吸入的空气量相等。

4　余热回收系统
四合一炉辐射段出口烟气流量为138600kg/h,混合温度为780℃左右,可利用余热量大,烟气的全部热量都由对流段设置的废热锅炉产生中压蒸汽进行回收。

这种余热锅炉属于工艺加热炉后面匹配的设备,有很多与其它锅炉不同的地方。

411　排管特点
中压蒸汽的过热温度一般为450℃,而辐射室烟气温度约为780℃,为了防止蒸汽过热温度超温,并合理选用蒸汽过热段材质,在对流段最下面首先排列下蒸发段,然后依次排列蒸汽过热段、上蒸发段和省煤段。

对流段直接置于辐射室4个炉子的上部,与辐射室炉管出入口集合管的排列方向垂直。

共设计3排光管和13排翅片管。

考虑到结构方便、操作灵活以及余热锅炉的操作周期必须与工艺加热炉的生产周期相同等因素,选择常用加热炉炉管规格作为余热锅炉炉管规格,所有各段均统一使用 11413mm×8156mm的炉管,这样虽然使管材耗量略有增加,但对流室结构简单,整齐美观。

412　锅炉水循环
为满足结构需要,对余热锅炉的蒸发段采用水平管,而蒸发管很长,为了建立可靠的锅炉系统水循环,采用循环泵强制循环,这样炉外汽包就不用架得很高。

为使水循环方便流畅,将蒸发段的给水从对流室最下一排管进入,从蒸发段最上一排管引出,进
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・ 石　油　化　工　设　备 2003年　第32卷
收稿日期:2003209212
作者简介:宋秉棠(19682),男,甘肃兰州人,高级工程师,从事冷换设备的设计与研究工作。

文章编号:100027466(2003)0620035202
蒸汽发生器失效分析与合理设计
宋秉棠1,史维良2,宋生斌2,王晓明1
(1.兰州石油机械研究所,甘肃兰州　730050; 2.中油股份抚顺分公司,辽宁抚顺　113000)
摘要:对蒸汽发生器进行了失效分析,并提出了在其结构设计和工艺设计中应注意的问题。

关　键　词:蒸汽发生器;失效分析;合理设计中图分类号:T Q 051 文献标识码:B 抚顺石化分公司石油一厂焦化装置4台蜡油蒸汽发生器于2002年11月投入使用,1个月后出现蒸汽带油现象,检查发现4台蒸汽发生器换热管管头及管板多处开裂,返修后运行不到1个月再次出现泄漏。

文中对此进行失效分析,提出了改进措施,并结合其它炼油厂蒸汽发生器的常见故障,提出了蒸
汽发生器结构设计和工艺设计中应注意的问题。

1　设备简介
该设备为浮头式换热器,采用一进一出E 型壳体和螺旋折流板管束,型号为BES110024.0232526/2524Ⅰ,换热管材质为10钢,管板材质为16Mn (δ=107mm )。

螺旋折流板间距为300mm ,设备有关数据见表1。

表1　蒸汽发生器相关数据
设备名称E 23A/B 中段油蒸汽发生器
管程壳程E 26A 蜡油蒸汽发生器
管程壳程E 26B 蜡油蒸汽发生器
管程壳程介质
蜡油
水、蒸汽蜡油
水、蒸汽蜡油
水、蒸汽流量/kg ・h -1
67271产汽5900
89260产汽6500
89260产汽7400
操作温度/℃314/220190361/300190300/220190操作压力/MPa 0.5～0.9
1.3
0.9
1.3
0.9
1.3
膜传热系数/W ・m -2
・K
-1
230.8493.6456.2换热面积/m 2
325(每台)325325面积富裕量/%
125.4
386.1
94.1
2　失效分析
211　
温差应力较大炼油厂多选用油浆、蜡油等高温位油类介质做为蒸汽发生器热源,通过大温降产生蒸汽。

蒸汽发生器多为卧式浮头式或U 形管式结构,热油走管程,水走壳程。

由于热油传热性能差并在管内流动,
设计时须采用多管程提高其传热性能,并保持一定流速以防管程堵塞。

而多管程大温降会造成各程换热管之间较大的热膨胀差。

以E 23A/B 为例,蜡油进口温度314℃,出口温度220℃,根据膜传热系数计入炉外的高位汽包。

本锅炉的循环倍率为715。

413　
露点腐蚀采用提高省煤段入口水温的方式来防止露点腐蚀,经计算烟气露点温度为137℃,所以将省煤器入口温度提高到150℃,这样炉管的壁温就远超过露点温度,不会发生露点腐蚀。

从除氧器出来的锅炉给水温度为104℃,采用省煤器出口水部分循环的方法将其提高到150℃。

在给水温度为150℃的情况下,加热炉设计排烟温度为193℃,全炉热效率为
9014%。

虽然适当降低给水温度可提高效率,但辐
射室的热负荷是固定的,效率的提高不会减少燃料的消耗,只能发生更多蒸汽。

5　结语
笔者设计的1Mt/a 连续重整四合一加热炉已投入使用,且运行平稳。

重整装置将向大型化和大处理量方向发展,文中所述设计方法对重整加热炉设计及应用均有现实指导意义。

(张编)
第32卷　第6期2003年11月 石　油　化　工　设　备PETRO 2CHE MIC A L E QUIP ME NT V ol 132　N o 16　N ov 12003。